[發明專利]一種用于核反應堆燃料包殼的含鎂的鋯鈮合金

有效

• 申請號: 200810232542.6
• 申請日: 2008-12-03
• 公開（公告）號: CN101413073A
• 公開（公告）日: 2009-04-22
• 發明（設計）人: 李中奎;石明華;張建軍;田鋒;周軍;王文生
• 申請（專利權）人: 西北有色金屬研究院
• 主分類號: C22C16/00
• 分類號: C22C16/00
• 代理公司: 西安創知專利事務所
• 代理人: 李子安

技術領域

本發明屬于材料技術領域，涉及一種鋯基合金材料，特別是涉及一種用于核反應堆燃料包殼的含鎂的鋯鈮合金。

背景技術

鋯及其合金被廣泛用于核動力反應堆中作結構部件和燃料包殼，這主要是由于鋯具有低的熱中子吸收截面，在高溫水中有強的抗腐蝕性能和高的機械強度。在核反應堆中，由于提高核燃料的燃耗是降低核電成本的有效途徑，而對于壓水堆進一步提高燃耗的主要限制因素是燃料包殼鋯合金的水側腐蝕和吸氫。因此，對鋯合金的抗腐蝕性能提出了更高的要求。

為了實現上述目的，合金元素的加入應滿足(1)熱中子吸收截面應當小，才能保持鋯的熱中子吸收截面低的優點；(2)合金元素應該保證該合金制作的結構部件在反應堆整個運行壽期內的耐蝕性能。(3)合金元素應該保證該合金制作的結構部件，在反應堆運行的各種可能工況下力學性能穩定可靠。目前主要使用鋯合金-2、鋯合金-4、M5合金、E635合金、ZIRLO合金等。

根據相關文獻，目前已有牌號的鋯合金成分中一般都含有少量的Nb、Sn、Cr、Fe等金屬元素。例如Zr-2合金含有1.2-1.7wt％的Sn，0.07-0.2wt％?Fe，0.05-0.15wt％?Cr，0.03-0.08wt％?Ni，0.08-0.15wt％?O；Zr-4合金含有1.2-1.7wt％?Sn，0.18-0.24wt％?Fe，0.07-0.13wt％?Cr，0.07wt％Ni，0.08-0.15wt％?O；E635鋯合金含有1.2-1.3wt％?Sn，0.34-0.4wt％?Fe，0.95-1.05wt％?Nb；美國專利US4649023公開的商品名為ZIRLO的鋯基合金，含有0.7-1.5wt％?Sn，0.07-0.14wt％?Fe，0.5-2.0wt％?Nb；M5鋯合金含有0.8-1.2wt％?Nb，0.09-0.15wt％?O；NDA鋯合金含有1.0wt％?Sn，0.28wt％?Fe，0.16wt％?Cr，0.01wt％?Ni，0.10wt％?Nb。

綜上所述，添加合適的合金元素及組分配比是開發具有更高的耐腐蝕性能及機械性能新鋯合金途徑之一。為此，本發明通過研究合金組分配比，提出新的合金成分，開發具有更為優良耐蝕性能的鋯合金。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術的不足，提供一種具有優良耐腐蝕性能的用于核反應堆燃料包殼的含鎂的鋯鈮合金，該鋯基合金適用于核反應堆的結構材料及燃料包殼元件。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種用于核反應堆燃料包殼的含鎂的鋯鈮合金，其特征在于該合金成分含量按質量百分比計為：Nb?0.8-1.2％，Mg?0.02-0.5％，O?700ppm-1400ppm，余量為Zr。

現將本發明確定各元素及用量的原因詳述如下：

Nb：已知Nb是鋯中一種β相穩定元素。鈮對鋯有較高的強化作用。研究表明，當加入少量(小于0.15％)的Nb時，鋯合金材料的耐腐蝕性能便能得到提高，當添加的Nb含量高至1.2％時，合金的耐腐蝕性能亦能得到很大提高，同時合金的力學以及抗吸氫性能也同時得到了提高。

O：O元素在鋯合金中可形成間隙固溶體，該固溶體可改善合金機械強度，但是，過低O含量的強化效果不明顯，達不到所需的性能要求，而過高的O含量又會降低合金的可加工性。本發明所確定的最佳含量范圍為700-1400ppm。

Mg：Mg具有較低的熱中子吸收截面，固溶在鋯合金基體中，加入少量的Mg可提高鋯合金的耐腐蝕性能，并降低吸氫量，由此減少氫化物的形成，該氫化物會造成材料變脆。

本發明與現有技術相比具有以下優點：本發明含鎂的鋯鈮合金具有優良耐腐蝕性能，該含鎂的鋯鈮合金比已有的Zr-4合金具有更優良的耐蝕性，適用于核電站反應堆燃料棒的包殼材料、格柵以及其它結構組件。

下面結合具體的實施例對本發明作進一步說明，實施例只是對本發明的說明而非限定。

具體實施方式

實施例

一種用于核反應堆燃料包殼的含鎂的鋯鈮合金，該合金成分含量按質量百分比計為：Nb?0.8-1.2％，Mg?0.02-0.5％，O?700ppm-1400ppm，余量為Zr。

其制備方法為：

(1)用核級海綿鋯及核級純金屬原料按上述配方配料壓制成電極，在真空自耗電弧爐進行三次熔煉，制成合金錠。

(2)將步驟(1)中的合金錠在900-1050℃溫度下進行鍛造擠壓加工成坯材；坯材再經過高溫1020-1060℃固溶處理后淬火。